基于动态剪切流变仪的沥青砂浆力学性能研究

张延双,周新星

(1.通辽市交通建设工程质量监督站，内蒙古 028000；2.武汉理工大学硅酸盐建筑材料重点实验室，武汉 430070)

基于动态剪切流变仪的沥青砂浆力学性能研究

张延双1,周新星2

(1.通辽市交通建设工程质量监督站，内蒙古 028000；
2.武汉理工大学硅酸盐建筑材料重点实验室，武汉 430070)

采用动态剪切流变仪对不同老化条件沥青砂浆进行性能测试，分析其路用性能。结果表明：紫外和热氧老化会改善沥青砂浆的高温稳定性，水损害则会弱化沥青砂浆的稳定性；同时，紫外和热氧老化还会在一定程度上对砂浆的低温应力松弛性能造成损害，加快沥青路面的低温开裂，但是水损害却能够提高沥青砂浆的低温应力松弛性能。

动态剪切流变仪； 沥青砂浆； 力学性能

沥青混凝土主要由沥青、砂浆和集料组成[1]，其中沥青砂浆作为混凝土重要的组成部分，对沥青混凝土的力学性能起着关键性的作用，还能指导沥青混凝土的设计；同时对研究沥青混凝土的紫外老化和水损害机理也起着重要的作用，因此研究细集料沥青混凝土的力学性能首先必须考虑沥青砂浆的性能。早在2007年荷兰代尔夫特理工大学Mo[2]就采用动态热机械分析仪(DMA)对沥青砂浆以及沥青砂浆-集料界面的动态力学进行了分析测试，但主要集中在疲劳性能。García等[3]考察了不同矿粉和纤维含量的沥青砂浆的导电性能，认为随着矿粉添加沥青砂浆导电性能增加，达到最大值后便不再增加，同时他们还对沥青砂浆的自愈合性能进行了研究。庞海峰[4]利用MTS力学试验机对沥青砂浆粘弹特性进行了试验分析。长沙理工大学吴婷[5]采用SANS材料伺服试验机通过单轴压缩蠕变试验分析不同集料组成对沥青砂浆高温性能的影响。2011年Mo等[6]便提出了利用动态剪切流变仪(DSR)测试沥青砂浆的标准方法。沥青路面在气候环境和车辆荷载作用下会发生一定程度的破坏，如热氧老化、紫外老化和水损害等[7]。研究沥青路面在外界环境作用下的力学性能对沥青路面使用性能和预养护具有重要意义。因此也有必要对沥青砂浆在短期老化(热氧老化)、紫外老化和水损害情况下的力学性能进行分析，以探讨沥青砂浆破坏机理，为沥青路面设计提供指导，为道路养护提供依据。

1 实 验

1.1 材料参数

沥青砂浆是由沥青、石灰石矿粉和1.18 mm筛孔以下钢渣细集料组成，其中沥青∶矿粉∶细集料质量比0.34∶0.30∶0.36。沥青基本性能指标见表1。

表1 70# 基质沥青的基本性能指标

1.2 方法

热氧老化砂浆的制备：将砂浆放入165 ℃的旋转薄膜烘箱内加热5 h后得到热氧老化沥青砂浆。紫外老化砂浆的制备：是指沥青砂浆在紫外老化条件下，60 ℃、30 W实验条件下所得到的沥青砂浆。水损害沥青砂浆的制备：用容器装入一定量的砂浆，在保水情况下抽真空15 min，低温-5 ℃贮存18 h，再放入25 ℃温水中24 h得到水损害沥青砂浆。

动态剪切流变仪通过作用已知扭矩来测量试样的复数剪切模量和相位角，配合相应软件可进行应变控制(测量其应力)和应力控制(测量其应变)，DSR剪切作用原理见图1。考虑材料性能和几何尺寸效应，本研究选取测试样品高度为2 mm。蠕变测试过程恒定剪应力30 Pa，测试60 ℃应变的缓慢变化情况；低温应力松弛则是选取-5 ℃，5%的应变作为测试条件。

2 结果与讨论

蠕变是指材料在保持应力不变的条件下，应变随时间延长而增加的现象。高温条件下的沥青砂浆蠕变测试对评价砂浆的高温稳定性和抗车辙性能具有重要的参考价值。蠕变曲线分为4个部分：瞬时弹性变形、弹性变形、可恢复变形和永久变形。由图2可知，当开始施加恒定荷载时，沥青砂浆会产生瞬时弹性变形，并随着时间推移逐渐积累，直到卸载时达到最大变形量。恒定作用力卸载后，沥青砂浆瞬时弹性变形消失，迟滞变形随时间逐渐恢复，最终剩下不可恢复的永久变形。

从图3可以看出沥青砂浆的弹性变形很小，水损害砂浆的弹性变形最大，原样砂浆其次，紫外老化砂浆的弹性变形最小，这就说明高温情况下，水损害沥青砂浆的高温弹性最好，紫外老化砂浆最差；总变形量由水损害砂浆、原样砂浆、紫外老化砂浆、热氧老化砂浆依次增加。高温蠕变曲线的总变形量可以在一定程度上反映抗车辙性能。由图可知，说明不同老化条件下，抵抗高温车辙能力最好的是水损害砂浆，其次是紫外老化砂浆，最后才是热氧老化砂浆。从材料的粘弹特性来看，高温情况下紫外老化砂浆的瞬时弹性变形最大，也是最差的，其他3种材料的相差不大，说明紫外老化对沥青砂浆的瞬时弹性变形影响最大。

应力松弛是指粘弹性材料在总应变不变的条件下，由于试样内部的粘性应变(或粘塑性应变)分量随时间不断增长，使回弹应变分量随时间逐渐降低，从而导致变形恢复力(回弹应力)随时间逐渐降低的现象。如图4所示，沥青砂浆的低温应力松弛曲线表明：水损害砂浆的松弛时间最短，只有32 s；原样沥青砂浆的其次，为49 s；紫外老化砂浆的松弛时间最长，为328 s，这表明紫外老化砂浆在低温情况下应力来不及松弛，可能会造成低温开裂，严重影响到沥青混凝土的路用性能。为了清晰表述沥青砂浆的应力松弛性能，文中采用松弛率描述应力松弛性能。其计算公式如下

(1)

式中，S代表应力松弛率;Smax代表最大应力值;Smin代表最小应力值。根据公式(1)可知，原样沥青砂浆、热氧老化砂浆、紫外老化砂浆、水损害砂浆的应力松弛率分别为99.93%，99.50%，98.36%，99.98%。由上述数据可知，水损害砂浆的应力松弛率最好，原样砂浆的其次，紫外老化砂浆的最差；这说明水损害能够提高沥青砂浆的低温应力松弛性能，而紫外老化和热氧老化则会损害沥青砂浆的低温应力松弛性能；但是，紫外老化对沥青砂浆应力松弛性能的影响最大，效果最严重。

3 结 论

由沥青砂浆在不同老化条件下的高温蠕变性能和低温应力松弛性能结果分析可得出以下结论：不同老化条件下，抵抗高温车辙能力最好的是水损害砂浆，其次是紫外老化，最后才是热氧老化。紫外老化和热氧老化都会在一定程度上对砂浆的低温应力松弛性能造成损害，可能会加快沥青路面的低温开裂，严重影响到沥青混凝土的路用性能，但是水损害却能够提高沥青砂浆的低温应力松弛性能。

[1] Lv Dan,Zheng Chuanfeng,Qin Yong,et al.Analysing the Effects of the Mesoscopic Characteristics of Mineral Powder Fillers on the Cohesive Strength of Asphalt Mortars at Low Temperatures[J].Constructure and Building Materials,2014,65:330-337.

[2] Mo Liantong,Huurman M,Wu Shaopeng ,et al.Ravelling Investigation of Porous Asphalt Concrete Based on Fatigue Characteristics of Bitumen-Stone Adhesion and Mortar[J].Materials and Design,2009,1(30):170-179.

[3] Garcia Alvaro,Schlangen Erik,van de Ven Martin,et al.Electrical Conductivity of Asphalt Mortar Containing Conductive Fibers and Fillers[J].Constructure and Building Materials,2009,23(10):3175-3181.

[4] 庞海峰.沥青砂浆粘弹性试验分析[D].长沙：长沙理工大学,2009.

[5] 吴 婷.沥青砂浆细观力学性能分析研究[D].长沙：长沙理工大学,2010.

[6] Mo Liantong,Huurman M,Wu Shaopeng,et al.Research Bituminous Mortar Fatigue Test Method Based on Dynamic Shear Rheometer[J].Journal of Testing and Evaluation,2012,40(1):84-90.

[7] 兰 宏.沥青路面水损害行为及机理研究[D].长安：长安大学,2011.

Mechanical Properties of Asphalt Mortar Based on Dynamic Shear Rheometer

ZHANG Yan-shuang1，ZHOU Xin-xing2

(1.Traffic Construction Engineering Quality Supervision Station of Tongliao City,Inner-Mongolia 028000,China;
2.State Key Laboratory of Silicate Materials for Architectures,Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,China)

Dynamic shear rheometer(DSR) was used to measure the pavement properties of asphalt mortar on different aging conditions.Its results showed that:ultraviolet(UV) and thermal oxygen(TO) aging could improve the high-temperature stability of asphalt mortar,moisture damage could reduce the high-temperature stability of asphalt mortar; UV and TO aging could also damage the low-temperature stress relaxation properties,but moisture damage is opposite.

dynamic shear rheometer; asphalt mortar; mechanical properties

10.3963/j.issn.1674-6066.2015.01.005

2014-12-13.

张延双(1971-),副高级工程师.E-mail:253122797@qq.com